DE1462659A1 - Optimales Suchfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optimales Suchfilter mit einem Analogaddierer, dessen erstem Eingang das empfangene Signal,und dessen weiteren Eingängen von entsprechenden Verzögerungsleitungsabschnitten, denen das empfangene Signal aufeinanderfolgend ebenfalls zugeleitet wird, die zu kompensierenden Amplitudenwerte des Signals über entsprechend gewiohtete Zuführungsleitungen eingegeben werden.

Ein optimales Suchfilter dieser Art ist in der US Patentschrift 2 759 044 und in der Nachrichtenteohnischen Zeitschrift Jahrgang 17,Heft 12, Dezember 1964 auf den Seiten 605 bis 613 beschrieben. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, optimale Suchfilter dieser Art in ihrer Wirkung zu verbessern, so daß eine größere Betriebssicherheit gegenüber vorher in allen Anwendungsfällen gewährleistet ist.

(Erfindungsgemäß wi*ä die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Eingang des optimalen Suchfilters eine Anzahl von m-1 Verzögerungseinriohtungen enthält, deren Verzögerungszeit θ jeweils dem Intervall 0 zwischen zwei gesendeten Impulsen entspricht, und wo m die Anzahl der Sendeimpulsintervalle ist, die von der Hauptamplitude des verzerrten Impulses aber innerhalb der Signalverbreiterung liegen,

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daß der erste Ausgang des Analogaddierers, der lediglich die Signalwerte der m-1 Verzögerungseinrichtungen erfaßt, mit dem Eingang eines Schwellenwertdetektors zur Erfassung der Hauptamplitude des verzerrten Signals verbunden ist, dessen Ausgang an den Eingang einer Kette von Kippschaltungen Dl bis Do" mit der Anzahl m+n-1, wom die Anzahl der Zeitintervalle 6 nach dem Auftreten der Hauptamplitude des verzerrten Impulses innerhalb des Signal darstellt, angeschlossen ist und deren Ausgänge mit den weiteren Eingängen des Analogaddierers über an sich bekannte, entsprechend gewichtete Zufürpungsleitungen mit Hilfe von Schaltvorrichtungen anschließbar sind, die je nach dem Ergebnis der Vorzeichenfeststellung des Schwellenwertdetektors in Bezug auf das empfangene Signal betätigt werden.

Während bei bekannten Vorrichtungen dieser Art als Hauptamplitude nur diejenige Amplitude aufgefaßt wird, die zur Zeit des Sendeimpulses auftritt, wird bei der Erfindung unter HauptampBtude auch eine wesentliche Störamplitude verstanden, die vor dem oben definierten Zeitpunkt auftritt und außerdem einen vorgegebenen Wert überschreitet. Damit ist aber die erfindungsgemäße Anordnung in ihrer Wirkung unabhängig davon, ob die richtige Hauptamplitude zuerst festgestellt wird oder nicht. Dies ist vorteilhaft bei manchen Übertragungssystemen, bei denen eine Vorläuferschwingung eine Maximalamplitude erreichen kann, die der der Schwingung zur Zeit des Sendeimpulses größenordnungsmäßig nahe kommen kann. Auf diese Weise ist sicher gestellt, daß die entzerrten Impulse einer übertragenen Information immer zur richtigen Zeit auftreten, oder zumindest keine störenden Impulsverschiebungen auftreten können.. Dadurch,daß die Schaltung auf einen bestimmten Schwellenwert ansprechen muß, um wirksam zu sein, kann die erfindungsgemäße Schaltung auch in vorteilhafter Weise zur Fehlerentdeckung eingesetzt werden, um ausfallende Impulse einer übertiagenen Information anzuzeigen.

Die Impulsentzerrung erstreckt sich also auf Störamplituden, die einer Hauptamplitude folgen und auf die, die dieser vorangehen. Da nur m-1 Verzögerungseinrichtungen vorgesehen sind, wird die erste wesentliche

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Störamplitude nicht korrigiert, sondern dient dazu den Kompensationsvorgang einzuleiten. Der über dfe erste Verzögerungseinrichtung am Eingang des optimalen Suohfliters verzögerte Signalanteil wird über eine mit 1 gewiohtete Zuführungsleitung auf den zweiten Eingang des Analogaddierers gekoppelt, d.h. direkt mit dem in den Analogaddierer über den ersten Eingang eingeführten unverzögerten Signalanteil überlagert, und zwar ohne daß dabei ein besonderer Rückkopplungspfad vorgesöien ist. Die Einstellung der für die gewichteten Zuleitungen maßgeblichen Widerstände entsprechendden Amplitudenwerten des verzerrten Signals zu den'Abtastzeiten, wird ein für alle mal vorgenommen, wenn eine Änderung des Übertragungssystems nicht vorgesehen ist, da sie sich in ihrer Wirkung gegenseitig nicht beeinflussen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, die anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der nachstehend aufgeführten Zeichnungen die Erfindung näher erläutert, und aus den Patentansprüchen.

Es zeigen:

Fig. 1 die graphische Darstellung eines bei der Übertegung verzerrten Impulses, dessen Ausgangsform ein Rechteckimpuls P ist,

Fig. 2 die graphische Darstellung eines verzerrten Impulses, der zum Teil entzerrt ist,

Fig. 3 die graphische Darstellung eines gemäß der Erfindung entzerrten Impulses,

Fig. 4 ein optimales Suchfilter gemäß der Erfindung.

Wird ein Reehteoklmpuls P (Fig. 1) einem Übertragungssystem zugeführt, dann entsteht in vielen Fällen auf Grund der Übertragungsparameter des

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übertragungssystemg/dessen Ausgang ein verzerrter Impuls 4efe? dessen

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Verlauf z.B. der der Kurve T sein kann, d.h. in etwa den Verlauf einer Impulsfunktion haben kann, die unter der Wirkung eines Tiefpassfilters entsteht. Wird der Impulsabstand, der der Übertragungsleitung zugeführten Impulse P mit θ bezeichnet, dann ergibt sich aus der Betrachtung des Signalverlaufs V , daß das Kurzzeitspektrum für einen gegebenen Impuls sich über mehrere Zeitintervalle θ erstreckt. Eine Folge von mehreren Impulsen P ergibt dann einen Signalverlaar 13 _Λ der sich aus den einzelnen Signalverlaufen T zusammensetzt und damit ein Langzeitspektrum darstellt. Die am Empfangsort eintreffenden Signal* müssen in einzelne Impulse aufgelöst werden, die denen der Impulsfolge am Sendeort entsprechen. Diese Impulszeiten am Empfangswort sollen die Bezeichnung Abtastzeiten erhalten. Dfs sich am Empfangsort ergebende Langzeitspektrum S kann also dann die übertragene Information eindeutig wiedergeben, wenn jeweils für ein Kurzze it spektrum V die Amplitudenwerte zu den Abtastzeitpunkten t.,die vom Zeitpunkt t_Q verschieden sind, wobei t_Q der Impulszeit des jeweiligen Impulses, also dem Zeitpunkt des Maximalwertes der Amaplitude des Kurzzeitspektrums entspricht, festgestellt werden.

Das Kurzzeitspektrum Γ am Empfangsort kann allgemein in erster Näherung durch folgendes Polynom ausgedrückt werden:

i = + η

Π(χ) =2 six¹
i = - m

Hierin ist η und m jeweils größer 0. si stellt die jeweiligen Amplitudei werte zu den Abtastzeiten t^ dar. m bedeutet die Anzahl der festgestellten Amplitudenwerte, die zeitlich vor dem mit cn, bezeichneten Bereich der Hauptamplitude ljqgen, während η die Anzahl der Amplitudenwerte darstellt, die zeitlich hinter dem Bereich oCliegen. Werden nun die aus der graphischen Darstellung nach Fig. 1 ersichtlichen jeweiligen Amplitudenwerte si in die obige Formel eingesetzt, dann ergibt sich:

jCl(x): -0,lx⁴ + 0,2x⁵ + a,5x² - 0,5+1+0,2X"¹ - 0,lx~² + 0,lx"⁵

Der Term 1 in oben stehender Gleichung stellt den Amplitudenwert si der Hauptamplitude zur Zeit t_Q dar. Im in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbei-

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spiel einer Schaltungsanordnung zur Entzerrung von Impulsen werden m-1 = 2 Korrekturvorrichtungen Dl und D2 in Gestalt von zwei Verzögerungseinrichtungen zum Herbeiführen einer jeweiligen Verzögerung Q vorgesehen, um die vorangehenden Störamplituden zu kompensieren. Zur Kompensation aller übrigen Störamplituden dienen m+n-l=6 weitere Verzögerungseinrichtungen Tl bis T6,die vorzugsweise aus monostabilen Kippschaltungen bestehen, eine Vergleichs- und Steuervorrichtung CD und ein Analog-Addierer AA von dem ein Teil der Eingänge über Schaltvorrichtungen Sl bis S6 an entsprechenden Ausgängen der Verzögerungseinrichtungen Tl bis Τ6 liegen.

Ein ,einem Langzeitspektrum S entsprechendes Signal gelangt an den Eingang

\JL X i\X Q. CtIiXl

E,VwirdVeinmal der ersten Verzögerungseinrichtung Dl und außerdem direkt einem ersten Eingang des Analog-Addierers AA zugeführt. Beim Eintreffen { des Signals Σ gelangt die Störung ^ s durch die vorher im Ruhezustand befindliche Verzögerungseinrichtung. Im nächsten Abtastzeitpunkt kombiniert sich der Ampütudenwert des Signals S mit dem Korrekturwert, um über die mit Hilfe des veränderbaren Widerstandes 1 gedichtete Zuführungsleitung L , in Abhängigkeit vom Amplitudenwert des Signals 2 zum vorangegangenen Abtastzeitpunkt auf einen zweiten Eingang des Analog-Addierers AA übertragen zu werden. Das gleiche gilt für den darauffolgenden Abtastzeitpunkt, bei dem dann beide Verzögerungseinrichtungen Dl und D2 wirksam werden, so daß die gewichtete Ausgangsleitung der Verzögerungseinrichtung D2 ein Signal auf den dritten Eingang des Analog-Addierers AA überträgt. Wenn das Langzeitspektrum S lediglich aus einem Kurzzeitspektrum P- besteht, dann ergibt sich aus der Wirkung der Verzögerungseinrichtungen Dl und D2 die Wiedergabefunktion T',dargestellt in Fig. 2. Diese Wiedergabefunktion V * kann im symbolisch angedeuteten Abschnitt N des Analog-Addierers AA in Fig. 4 erfaßt werden. Es sei bemerkt, daß die Störamplituden, die dem Bereich &- folgen, durch die oben genannte Wirkung in ihejfr Form und auch in ihrer Anzahl gegenüber der Widergabefunktion des Kurzzeitspektrums P erheblich geändert werden. Für das hier beschriebene Ausführungsbeispiel hat sich ergeben, daß sieh der in Betracht kommende Bereich des Kurzzeitspektrums über 6 Intervalle θ erstreckt und in Verbindung damit gegenüber vorher auch unterschiedliche Koeffizienten auftreten. Wenn berücksichtigt wird, daß in der oben stehenden zuletzt genannten Gleichung definitionsgemäß der letzte Term nicht korrigiert worden ist, sondern nur die beiden vorletzten, so daß sich aus dem Kurzzeitspektrum T das korrigierte Kurzzeitspektrum f* ergibt, dann läßt sich aus

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dem für V geltenden Polynom »O (x) das für?¹ geltende Polynom/l (_x) ableiten:

) mitXX^!(x) -

Durch Einsetzen ergibt sich dann:
Χ2^!Ι(χ) = 0,1 χ⁶ - 0,3 x⁵ - 0,2χ⁴ + x⁵ - 1,2 x² + 0,Jx +

Das obenstehende Ergebnis zeigt, daß die Therme mit χ und χ verschwunden sind, was sich in der Praxis mit Hilfe der Verzögerungseinrichtungen Dl und D2 und den entsprechend zugeordneten Verbindungsleitungen zum Analogaddierer AA erreichen läßt, wobei die- in diesen Zuführungsleitungen enthaltenen Widerstände, nämlich der der Verzögerungseinrichtung Dl mit 1 und der der Verzögerungseinrichtung D2 mit -1 entsprechend gewichtet sind. Weiterhin ergibt sich aus dem genannten Ergebnis, daß sich die Störamplituden über 6 Zeitintervalle 0 erstrecken, wobei sich ausserdem die entsprechenden Koeffizienten ergeben.

Wird nun angenommen, daß dem Impuls P der ein Kurzzeitspektrum V^x hervorruft ein oder mehrere andere Impulse vorangegangen sind, z.B. ein Impuls der zwei Zeitintervalle 0 früher eingetroffen ist, dann würde für diesen ein Kurzzeitspektrum J~* ^ft (Fig. 2) gelten, dessen Verlauf dem Kurzzeitspektrum J⁷ * zwar äfinllch aber zeitlich um 2 β verschoben ist. In^dem sozusagen, durch das Kurzzeitspektrum J* ··· bereits bekannt ist,welchen Störamplitudenverlauf ein Impuls nach zwei Zeitintervallen 0 gerechnet vom Bereiche nehmen wird, genügt es im Zeitpunkt zu dem das Kurzzeitspektrum T*¹ erfasst werden soll,zu wissen, daß ein identifcscher Impuls mit dem Kurzzeitspektrum T ^%t zwei Zeitintervalle 0 vorher aufgetreten ist. Zum Zeitpunkt d§§ Auftretens eines Impulses muß daher ein solcher Impuls festgehalten bzw· für ein Zeltintervall (m+n-l)$ gespeichert werden· Das gleiche gilt für den jeweiligen Stötfamplitudenwert, den ein socljher Impuls nacheinander jeweils zu einem der Abtastzeit-

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punkte m+n-1 hervorruft. Entsprechende digitale Verzögerungseinrichtungen wie z.B. die monostabilen Kippschaltungen Tl bis Τβ genügen diesen Anforderungen im hier gegebenen Beispiel, wobei betont wird, daß sie ebenso gut durch entsprechend wirkende Analog-Schaltungsanordnungen ersetzt werden können.

Zum Verständnis des Vorangegangenen ist es bisher nicht erforderlich gewesen, die Art der Übertragung zu behandeln, da die betrachteten Schaltungsteile reine Analogbauteile sind, die unmittelbar in ihrer Wirkung dem Signalverlauf folgen. Da die übrigen Bauteile digital arbeiten, ist es zunächst erforderlich, für die hier angewendete Verwendungsart die Voraussetzung zu präzisieren. Um eine binäre Information, d.h., die Zustände 1 und 0 in entsprechender Folge über ein Übertragungssystem zu übertragen, kann festgelegt werden, daß eine elektrische Grosse mit dem Vorzeichen + eine 1 und eine elektrische Grosse mit dem Vorzeichen - eine 0 jeweils in Impulsform darstellt, wobei diese Impulse als symmetrisch zum Ruhezustand des Übertragungssystems zu betrachten sind, Dies dient dazu, um eine binäre Information 0 vom Ruhezustand des Übertragungssystems unterscheiden zu können. Während einer Informationsübertragung treten also dauernd Impulse auf· Das oben bezüglich der Kurzzeitspektren Z"⁷, /^¹ und T*^x * Gesagte trifft auch unter diesen Voraussetzungen zu, davlediglich die Wiedergabefunktion des Übertragungssystems im Ansprechen auf einen Impuls betrifft,welche -etie- unabhängig vom Vorzeichen eines Impulses ist.

Wenn demnach berücksichtigt wird, daß während einer Informationsübertragung zu jeder Abtastzeit ein Impuls auftritt, muß eine Sohaltungsanordnung am Empfangsort vor allem dazu in der Lage sein, das Vorzeichen jedes Impulses feststellen zu können, wie auch den Ruhezustand des Übertragungssystems vor und nach einer Informationsübertragung zu berücksichtigen. So können z.B. im Ruhezustand des Übertragungssystems die als digitale Schaltteile wirksamen Kippschaltungen in ihrem zuletzt eingenommenen Schalt-

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zustand verbleiben. Da sie lediglich den Arbeitszustand des Übertragungssystems abbilden bzw. darstellen, werden sie durch öffnen der Schaltkontakte Sl bis S6 in ihrer Wirkung auf den Analogaddierer AA verhindert. Zu Beginn einer Informationsübertragung stellt ein Schwellenwertdetektor, der auf Absolutwerte ansprichtj der Vergleiche-und Steuervorrichtung CD das Auftreten eines Bereichs oC in der WidergabefunktionT"¹ des ersten Impulses P der übertragenen Information fest."Die Vergleichsund Steuervorrichtung CD schaltet dann je nach dem Vorzeichen des eingetroffenen Impulses die erste Kippschaltung Tl in den Schaltzustand + oder in den Schaltzustand - und lässt die Schaltvorrichtung Sl schließen. Sobald ein einer Information entsprechendes Langzeitspektrum JI über den Eingang E in die Schaltungsanordnung gelangt und mit Hilfe der Verzögerungseinrichtungen Dl und D2 im Zusammenwirken mit entsprechenden Teilen des Analogaddierers AA korrigiert wird, entsteht zunächst eine Wiedergabefunktion Σ/ ^Xt die sich in gleicher Weise ergibt, wie die oben behandelte Wiedergabefunktion T""*¹. Tatsächlich wird zu jedem Abtastzeitpunkt der Schaltzustand der Kippschaltung Tl auf die nächstfolgende Kippschaltung T2 und so weiter übertragen. Die Sehaltvorrichtungen Sl bis So werden aufeinanderfolgend entsprechend geschlossen und bleiben, wenn sie einmal geschlossen sind, in diesem Zustand. Die mit Hilfe der jeweiligen Widerstände entsprechend gewichteten Zuleitungen von den Kippschaltungen Tl bis T6 sind dabei jeweils so eingestellt, daß sich entsprechende Korrekturen ergeben, wenn die Amplitudenwerte berücksichtigt werden, die sich aus dem Koeffizienten 0,3; -1,2; 1; -0,2; -0,3; 0,1 des Polynoms \Ch'* (x) ergeben. ~~ ■

Das an der Vergleichs- und Steuervorrichtung CD eintreffende Signal ist im Falle eines Impulses durch die Wiedergabefunktion T* " vorgegeben. Die entzerrten Impulse verlassen die Schaltungsanordnung am Ausgang E¹. Nach Beendigung der Informationsübertragung steuert der Schwellenwertdetektor der Vergleichs*- und Steuervorrichtung CD das öffnen der Schaltvorrichtungen Sl bis S6, weil der vorgegebene Schwellenwert nicht mehr überschritten wird.

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Dadurch tritt eine weiterhin erwünschte Nebenwirkung auf, nämlich die, daß die Vergleichs- und Steuervorrichtung CD weiterhin dazu dienen kann, einen Übertragungsfehler festzustellen, der durch das Fehlen eines Impulses in der übertragenen Information bedingt ist. Es versteht sich, daß der Schwellenwert φ , dessen Überschreiten durch den Absolutwert eines Amplitudenwertes der Wiedergabefunktion T ^f das Vorhandensein oder NichtVorhandensein von Impulsen definieftjunter Berücksichtigung möglicher Variationen des Signalpegels der WiedergabefunktionΣ ' eingestellt werden muß, die ja im Grenzfall nur durch einen Impuls hervorgerufen wird. Im Ausführungsbeispiel wird Δ^s nicht korrigiert und der Signalpegel der Wiedergabefunktion Σ ' kann, wie aus Fig. 2 hervorgeht zwischen a und b gleich dem Amplitudenwert Γ¹ ^As sein. Ein ausreichender Sicherheitsabstand ist dabei zwischen den Pegeln $ und b ge- · geben.

Wird bei einer Übertragung der einfache Fall benutzt, bei dem der Wert 1 der Information durch einen Impuls und der Wert 0 durch Nichtanwesenheit eines Impulses dargestellt wird, ist die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung die gleiche wie oben beschrieben mit der Ausnahme allerdings, daß die Schaltvorrichtungen Sl bis S6^Leitende Verbindungen ersetzt sind. Es sei weiterhin bemerkt, daß beim Auftreten einer Störamplitude,die grosser als der Schwellenwert φ ist und vor dem Bereich α eines Kurzzeitspektrums liegt, mit einer entsprechenden Zeitverschiebung das Auftreten eines Impulses aufgrund dieses ersten Überschreitens festgestellt !werden kann, so daß der Korrektur- bzw, Kompensationsvorgang infolgedessen abläuft. Liegen mehrere Schwellenwertsüberschreitungen vor, dann kann sogar die Schaltungsanordnung zur Erfassung nur eines dieser Schwellenwerte ausgabgt werden.

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Claims (1)

1. PATENTANS PRUCH

   Optimales Suchfilter mit einem Analogaddierer, dessen erstem Eingang das empfangene Signal und dessen weiteren Eingängen von entsprechenden Verzögerungsleitungsabschnitten, denen das empfangene Signal aufeinanderfolgend ebenfalls zugeleitet wird, die zu kompensierenden Amplitudenwerte des Signals über entsprechend gewichtete Zuführungsleitungen eingegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (E) des optimalen Suchfilters eine Anzahl von m-1 Verzögerungseinrichtungen (Dl, D2) enthält, deren Verzögerungszeit θ jeweils dem Intervall β zwischen zwei gesendeten Impulsen entspricht, und wo m die Anzahl der SendeimpulsIntervalle (φ) ist, die vor der Hauptamplitude des verzerrten Impulses aber innerhalb der Signalverbreiterung liegen, daß der erste Ausgang des Analogaddierers AA, der lediglich die Signalwerte der m-1 Verzögerungseinrichtungen (Dl, D2) erfasst, mit dem Eingang eines Schwellenwertdetektors (CD) zur Erfassung der Hauptamplitude des verzerrten Signals verbunden ist, dessen Ausgang an den Eingang einer Kette von Kippschaltungen Tl bis T6 mit der Anzahl m + η - 1, wo m die Anzahl der Zeitintervalle θ nach dem Auftreten der Hauptamplitude des verzerrten Impulses innerhalb des Signals darstellt, angeschlossen ist, und deren Ausgänge mit den weiteren Eingängen des Analogaddierers AA über an sich bekannte, entsprechend gewichtete Zuführungsleitungen mit Hilfe von Schaltvorrichtungen (Sl bis S6) anschließbar sind, die je nach dem Ergebnis der Vorzeichenfeststellung des Schwellenwertdetektors (CD) in Bezug auf das empfangene Signal betätigt werden,

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